本发明属于水下焊接质量控制
技术领域：
，更加具体地说，涉及一种提升水下摩擦叠焊质量的方法。
背景技术：
海洋领域是二十一世纪全世界关注的焦点之一。我国在近年对海洋领域的关注度与日俱增。二十一世纪可以说是我国由近海走向远海、由浅海走向深海，实现海洋强国之梦的世纪。先进的水下焊接、切割、修复技术是海洋工程建设、维护的重要技术保障之一。海洋结构物的连接与修复要根据其水深、结构形式以及重要性等因素，选择合适的水下连接方法。机械连接器安装简单、不受水深影响，但有时会降低结构物性能，价格也不便宜；湿式焊接、半干式焊接因为焊接质量较差，不能应用于重要结构物焊接及修复，应用水深通常为40m以内；高压干式焊接接头的质量好，与陆地焊接的质量相当，但干式舱建造费用昂贵，若焊接水深过深，过高的舱内压力将导致焊接电弧稳定性大幅下降。我国目前只能独立开展浅水牺牲阳极等非重要结构物的水下湿式焊接或者半干式焊接。海底管道等重要结构物的修复则主要依靠国外的设备、技术和服务，修复代价高。因此，开发对水深不敏感、焊接质量好、自动化程度高、适用于重要水下结构物的焊接方法及设备成为了亟待解决的问题。摩擦焊(frictionwelding)是在外力作用下，利用工件接触面之间相对摩擦所产生的热量，使其摩擦接触面及其附近区域的金属达到塑性状态并产生宏观塑性变形，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接。摩擦焊具有焊接接头质量稳定、焊接效率高、易于实现自动化、节能、无污染等技术特点。因此水下摩擦焊技术成为了深水焊接与修复关注的热点。英国焊接研究所于1992年发明的摩擦叠焊技术是一项以海洋平台、海底管道修复为主要目的的固相连接技术，可以作为高压干式焊接技术的有效补充。摩擦叠焊作为水下焊接技术的一项重要分支与其它水下焊接方法相比有其突出的优点，对于有水环境和高压环境影响的敏感性相对较小，既能用于浅水也能用于3500m深水，既能用于海底管道维修也能用于海洋平台的修复，焊接过程可以直接在水中进行而不需要干式舱的支持。此外，该技术能够方便地采用机器人或焊接专机作业，容易发展成为深水应用所要求的无潜水员式全自动作业系统。摩擦叠焊的基本原理是由一系列摩擦叠焊单元成形过程相互搭接而成，如附图1所示。摩擦叠焊可用两种不同的技术来实现，一种采用圆柱孔和塞棒，另一种采用锥孔和塞棒，如附图1所示。当海洋结构出现表面裂纹时，在结构物表面打孔并焊接的方式来完成修复。水下摩擦叠焊以及单元焊缝在施焊过程中，收到水环境的强烈冷却作用，在焊接起始阶段往往热量不足，在塞孔底部圆角区域留下缺陷以及结合强度小等问题。因为水下淬硬作用明显，焊缝硬度一般很高，在后续单元焊缝钻孔过程中会引起钻头偏斜，塞孔精度出现问题，两侧圆角区域质量出现差异，且有一侧明显变坏。在后续单元焊缝施焊过程中也会施加大的焊接压力，结合强度不足的先焊单元焊缝(尤其实在圆角位置)在此力的作用下会出现开裂问题。这些缺陷及问题的存在，阻碍摩擦叠焊技术的推广。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对摩擦叠焊施焊环境及技术特点带来的问题，提供一种用于水下摩擦叠焊止裂并提高焊接质量的方法。本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：水下摩擦叠焊质量提高方法，采用间隔焊接方式，先焊接奇数单元焊缝，再焊接偶数单元焊缝，以避免钻头的偏斜，提高钻孔质量乃至焊接质量；偶数单元焊缝的钻孔深度要大于奇数单元焊缝的钻孔深度，一是为了能去除一部分紧邻先焊单元焊缝的缺陷或薄弱部位，此外还会使作用在薄弱区域的力或力矩的位置发生相应的改变，从而防止在偶数单元焊缝焊接时奇数单元焊缝的开裂。在上述技术方案中，选择碳含量低(用于提高塞棒的焊接性)、碳当量也低(用于降低水下焊接的淬硬倾向)的塞棒材料，来增加摩擦叠焊的可焊性，并降低接头硬度，例如astma350lf2，x65，q345钢。在上述技术方案中，增大焊接起始阶段塞棒与塞孔的接触面积，以提高摩擦产热，进而改善焊接起始阶段的塑性材料流动，减少甚至消除圆角区域缺陷。通常塞棒端部和塞孔底部要留有适当间隙，利用塑性材料流动；塞棒塞孔底部接触面积要尽量大一些；塞棒端部和塞孔底部倒角彼此配合。在上述技术方案中，焊接过程中施加合适的焊接压力。焊接压力的提高有利于当前所焊单元焊缝的质量，但是对于先焊焊缝也有一个较大的力和力矩的作用，造成开裂，因此焊接压力要适中，通常在30kn-35kn。在上述技术方案中，转速为7000—8000rpm，顶锻压力为35—40kn，保压时间为8—10s，消耗量为12—15mm。在上述技术方案中，偶数单元焊缝的钻孔深度比奇数单元焊缝的钻孔深度深至少10％，优选15—20％。在上述技术方案中，奇数和偶数焊接单元的截面(即奇数焊接单元和偶数焊接单元的塞孔的横截面)为等面积的圆形，相邻焊接单元的重叠面积为圆形截面的20—30％，优选25—30％，即奇数焊接单元和偶数焊接单元的塞孔的横截面的重叠面积/奇数焊接单元塞孔的横截面积。采用本发明的技术方案，可以在摩擦叠焊水下施焊时，减少或避免开裂，并提高焊接质量。本发明在摩擦叠焊水下施焊止裂及提高焊接质量方面取得突破，使其在水下的应用成为可能，对其在深水焊接及修复中的应用及推广，有着深远的意义。附图说明图1是本发明中摩擦叠焊基本原理的示意图。图2是本发明技术方案中间隔焊接方式的示意图，其中1为奇数焊接区域，2为偶数焊接区域。图3是本发明实施例中使用的塞棒和塞孔的结构示意图。图4是本发明实施例中焊接方案的结构示意图，其中1为试样，2为第一焊接区域，3为第三焊接区域，4-1为深度为13mm的塞孔，4-2为深度为16mm的塞孔，4-3为深度为19mm的塞孔。图5是本发明实施例中的中间孔深13mm的摩擦叠焊接头的形貌测试图。图6是本发明实施例中的中间孔深16mm的摩擦叠焊接头的形貌测试图。图7是本发明实施例中的中间孔深19mm的摩擦叠焊接头的形貌测试图(1)。图8是本发明实施例中的中间孔深19mm的摩擦叠焊接头的形貌测试图(2)，其中(a)为整体形貌，(b)和(c)为各自部位的局部放大图。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。在以dh36钢为母材的埋弧焊缝上进行摩擦叠焊研究。两侧塞孔(奇数焊接区域)的塞棒材料为q345钢，中间塞孔(偶数焊接区域)的塞棒材料为x65钢。附表1和附表2为dh36、埋弧焊缝金属(arcweld)、q345钢和x65钢的主要成分和基本力学性能。附表3为摩擦叠焊实验的工艺参数。d13、d16和d19分别代表偶数孔深为13mm、16mm和19mm的塞棒，具体塞孔和塞棒结构如下(mm，°)：a:150，b:132，c:60，d:50，e:f:g:19°，h:r3，i:j:25°，k:16附表1试验材料化学成分(wt％)材料/元素cmnsispcunicrmovfecedh360.150.900.500.0350.0350.0120.0100.0340.0040.047余量0.32arcweld0.061.110.470.0070.0110.090.870.010.002---余量---q3450.171.500.550.0400.0350.0160.0130.0230.002---余量---x650.0451.300.120.0020.0050.0280.200.0420.0960.002余量0.37附表2试验材料常规力学性能材料屈服强度/σs(mpa)抗拉强度/σb(mpa)延伸率/δ(％)硬度/hv10dh36362.9525.522160arcweld48056033190q34534549023176x6545053518200附表3摩擦叠焊工艺参数试样编号转速/rpm焊接压力/kn顶锻压力/kn保压时间/s消耗量/mmd1370003540814d1670003540814d1970003540814实验分为三组进行。在三组实验中，两侧q345塞孔(即第一和第三焊接区域，共计两个焊接区域)深度均为16mm，中间x65塞孔(即第二个焊接区域)深度分别为13mm、16mm和19mm。实验完成后，以塞棒中心线为界沿着垂直于焊缝表面的方向用线切割切取试样，打磨、抛光。抛光好的试样立刻用4wt％硝酸的酒精(乙醇质量百分数为10wt％)试剂擦拭腐蚀10～15s，腐蚀结束以后用酒精冲洗吹干。随后进行宏观观察和拍照，最后在olympus-gx51f光学显微镜下观察特定区域显微组织特征。附图5-附图7分别为中间孔深13mm、16mm和19mm的摩擦叠焊接头的形貌测试图。13mm孔深下获得的接头质量较差，偶数单元焊缝的焊接导致了两侧奇数单元焊缝底部圆角发生了开裂(附图5)。当浅深为13mm时，两侧奇数单元焊缝的底部圆角几乎没有被去除，而底部圆角处往往是接头的薄弱点。同时，焊接压力，尤其是焊接开始阶段，通过塞棒直接作用在两侧奇数单元焊缝圆角处。在两个因素的共同作用下，造成了两侧奇数单元焊缝开裂。16mm孔深下的摩擦叠焊接头，如附图6所示。中间单元焊缝的一侧连接较好，另一侧存在较大未焊合缺陷。相比于13mm孔深的接头，接头焊接质量有明显提升。19mm孔深条件下获得了质量优异的接头，如附图7和图8所示。摩擦叠焊接头未出现开裂且实现了冶金连接。19mm孔深条件下，结合强度较弱的两侧单元焊缝的底部圆角几乎被去除，消除了薄弱环节；焊接压力在焊接开始阶段作用在塞孔下部母材，减少了对两侧单元孔的直接作用，随着焊接过程的进行，塑形剪切层逐渐上移，塑性材料在摩擦热和焊接压力的作用下软化、压溃并沿着塞孔和塞棒间隙挤出，这种沿着塞孔侧壁塑性材料的流动对两侧焊缝几乎没有垂直力，因此，整个中间单元焊缝的焊接过程几乎对两侧单元孔的连接没有影响；焊接初始阶段，塞棒周围的材料为组织较为均匀的弧焊焊缝(比另外两种孔深的组织均匀)，焊接过程稳定，易于消除中间单元焊缝底部圆角区域缺陷。综上所述，采用本专利提出的系列措施进行摩擦叠焊水下施焊时，可以得到裂纹和底部圆角缺陷等少甚至没有的、实现冶金结合的优质焊缝(s.kallee,d.nicholas.frictionandforgeweldingprocessesfortheautomotiveindustry.internationalbodyengineeringconference.detroit,usa,1999；e.d.nicholas.frictionprocessingtechnologies.twi)。根据本
发明内容进行深度和面积的调整，均可实现焊接质量优异的接头。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。当前第1页12